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填埋垃圾渗透系数的研究进展 * 李明英Jae Hac Ko徐期勇 北京大学深圳研究生院 环境与能源学院 聚硅酸盐复合环保材料工程实验室， 广东 深圳 518055 摘要 填埋是我国城市生活垃圾的主要处理方式， 我国南方填埋场普遍面临的一个问题是渗滤液水位较高。垃圾渗透系 数不仅在控制渗滤液水位技术方面有重要作用， 且影响填埋气的排出及回收利用率。总结了垃圾渗透系数影响因素和 调节方法方面的研究， 得出影响因素包括垃圾密度、 垃圾组分、 降解程度、 压实程度等， 调节方法则有改变影响因素和加 入惰性材料两种。在此基础上对填埋场控制渗滤液水位的工程技术手段和提高填埋体回收利用率的途径提出了新建议。 关键词 垃圾填埋场; 渗透系数; 影响因素 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408019 ＲEVIEW ABOUT HYDＲAULIC CONDUCTIVITY OF LANDFILLED WASTE Li MingyingJae Hac KoXu Qiyong Shenzhen Engineering Laboratory for Eco- Efficient Polysilicate Materials，School of Environment and Energy， Shenzhen Graduate School， Peking University，Shenzhen 518055， China AbstractLandfill is the major of municipal solid waste MSWmanagement in China． One main problem associated with landfills，especially in south China is that leachate head on the liner is higher than the standard． Hydraulic conductivity of landfilled waste plays an important role in controlling the leachate level，and biogas collection and utilization． This paper mainly summarizes the previous research about the influencing factors on MSW hydraulic conductivity and the control s， including waste density，waste composition，degree of degradation，degree of compaction and so on． The control s include changing of influencing factors and adding inert materials． Finally，new suggestions for the controlling leachate level in landfills and improving landfill gas collection are proposed． Keywordslandfill;hydraulic conductivity;influencing factors * 深圳市基础研究杰青项目资助 XNY201110021 ; 深圳市科技计划项 目 CXB201105100085A 。 收稿日期 2013 －11 －26 0引言 我国已经成为世界上最大的城市生活垃圾产生 国 ［ 1 ］， 且城市垃圾正以每年 8 ～ 9 的速度快速增 长 ［ 2 ］。城市生活垃圾处理方式主要有卫生填埋、 焚烧 和堆肥 ［ 3 ］， 而我国约80的垃圾是通过填埋处理的［ 4 ］。 目前我国南方垃圾填埋场面临的一个普遍问题是 填埋场内渗滤液水位较高 ［ 5- 6 ］， 其主要原因是填埋体的 渗透系数过低。垃圾渗透系数是影响填埋体内水流运 动和水分分布的主要因素 ［ 7 ］， 垃圾渗透系数过低令渗 滤液不能及时进入导排系统， 引起渗滤液在场内的累 积 ［ 8 ］。填埋场内高渗滤液水位会导致一系列不利后 果， 如加剧渗滤液渗漏及污染物扩散、 垃圾填埋场堆体 失稳滑坡、 阻碍填埋气体收集利用 ［ 4 ］， 甚至影响土工膜 的使用寿命等 ［ 9 ］。因此， 填埋垃圾渗透系数的确定以 及对其影响因素的充分了解在控制渗滤液水位方面有 重要意义 ［ 10 ］。此外， 渗滤液收集与排放系统的设计、 渗滤液回灌计划也需要对垃圾渗透系数的掌握 ［ 11 ］。 本文结合国内外最新相关研究文献， 对填埋垃圾渗透 系数的影响因素及其调节方法的研究进展进行评述， 以期为我国控制垃圾填埋场渗滤液水位和提高气体收 集方面的工程技术手段提供理论依据。 1垃圾渗透系数 1. 1测定方法 渗透系数 hydraulic conductivity 又称水力传导 系数， 用来度量多孔性材料允许流体经过联通的孔隙 通过的难易程度 ［12 ］， 定义为单位水力梯度下的渗流 速度， 国际制单位为 m/s。渗透系数根据所测材料是 08 环境工程 Environmental Engineering 否处于被水饱和的状态又分为饱和渗透系数和非饱 和渗透系数， 由于非饱和渗透系数测定难度大［13 ］ ， 实 验室研究较少， 实际情况中主要对垃圾的饱和渗透系 数 以下均简称为 “渗透系数” 进行讨论。 国内外关于城市生活垃圾渗透系数的研究报道 较多， 大多数报道集中于其测定方法和影响因素方 面。垃圾渗透系数多在实验室中测定， 实验室测定方 法包括常水头和变水头两种方法。常水头渗透系数 测定法是在保持水头不变的条件下让水流通过被测 材料， 而变水头测定的方法则不控制水流的水头， 让 水流在压差下自然下落， 但两种方法最后都是根据达 西定律来计算被测物质的渗透系数， 见式 1 。 v ki 1 式中 v 为水流通过被测材料的流速， m/s; k 为渗透系 数， m/s; i 为水力梯度。 然而， 由于填埋垃圾性质 如密度、 粒径等 和填 埋场环境等的不同， 实验室获得的数据不能完全反映 填埋垃圾渗透系数的真实情况。因此， 部分研究者转 向填埋场现场测定， 从而对填埋垃圾的渗透系数做出 更为准确地评估［14 ］， 现场测定方法包括抽水试 验 ［15 ］、 试坑实验［16 ］、 钻孔渗透实验［14 ］等。除了直接 测定方法外， 垃圾渗透系数还可以通过各种资料综合 估算的方法获得 ［17 ］。表 1 总结了国外研究者关于填 埋垃圾渗透系数测定研究的结果。 表 1已报道的城市生活垃圾的渗透系数 Table 1The reported hydraulicy conductivities of landfilled waste 研究者垃圾来源渗透系数/ cm s －1 测定方法 Noble 等 1991 ［18 ］ 美国麦福德8. 4 10 －5 ～6. 6 10 －4 常水头测定 Bleiker 等 1993 ［19 ］ 加拿大 Keele Valley 填埋场1 10 －8 ～3 10 －7 变水头测定 Chen 等 1995 ［12 ］ 美国巴尔的摩4. 7 10 －5 ～9. 6 10 －2 常水头测定 Landva 等 1998 ［20 ］ 加拿大2 10 －6 ～2 10 －3 常水头测定 Jang 等 2002 ［21 ］ 韩国 Kimpo 填埋场2. 91 10 －4 ～2. 95 10 －3 常水头测定 Durmusoglu 等 2006 ［22 ］ 美国 Ｒock Prairie Ｒoad 填埋场4. 7 10 －4 ～1. 2 10 －2 变水头测定 Olivier 等 2007 ［23 ］ 法国图卢兹1. 0 10 －4 ～1. 0 10 －2 变水头测定 Ｒeddy 等 2009 ［24 ］ 美国 Orchard Hills 填埋场1. 0 10 －6 ～1. 0 10 －2 常水头测定 Ettala 1987 ［25 ］ 芬兰填埋场5. 9 10 －3 ～0. 25抽水试验 Oweis 等 1990 ［26 ］ 美国新泽西填埋场1. 0 10 －3 ～2. 5 10 －3 抽水试验 Townsend 等 1995 ［16 ］ 美国 AlachuaCounty 西南填埋场3 10 －6 ～4 10 －6 试坑实验 Wysocki 等 2003 ［27 ］ 纽约弗莱斯科尔斯填埋场1. 2 10 －5 ～6. 3 10 －4 抽水试验 Gawande 等 2005 ［28 ］ 意大利1. 2 10 －3 ～2. 5 10 －3 反向流模型 Jain 等 2006 ［14 ］ 美国新河地区填埋场5. 7 10 －6 ～1. 9 10 －5 钻孔渗透测定 1. 2影响渗透系数的因素 由表 1 可见， 使用不同的测定方法来确定不同条 件下城市生活垃圾的渗透系数， 最后得到的结果差异 较大， 甚至达到几个数量级。这主要是垃圾渗透系数 受多种因素影响的结果， 主要包括垃圾密度、 垃圾组 分、 压实程度、 降解程度等。 1. 2. 1密度和组分 垃圾密度直接影响垃圾孔隙率的大小， 密度越大 孔隙率越小， 使得流体流经垃圾孔隙变得困难， 使垃 圾渗透系数变小。如图 1 所示， 密度变大后的垃圾 与原来相比， 孔隙率会明显变小。 Chen 等 ［12 ］用常水头实验测定了三种不同组分 垃圾在不同压实密度 160， 320， 480 kg/m3下的渗透 系数， 相对应的平均渗透系数分别为 9. 6 10 －2， 7. 3 10 －4， 4. 7 10－5 cm/s。Bleiker 等 ［29 ］对每层6 m 厚共 12 层的垃圾渗透系数进行了估算， 垃圾密度从 685 kg/m3逐渐增加到 1 345 kg/m3， 渗透系数则从 图 1垃圾密度变大后渗透系数变化示意 Fig．1Change of hydraulic conductivity with the increase of waste density 8. 1 10 －3 cm/s 减小到 4. 8 10 －8 cm/s。而瞿贤 等 ［8 ］采用常水头测渗实验， 对不同压实密度新鲜垃 圾和陈垃圾的渗透系数进行测试， 新鲜垃圾密度为 750 ～950 kg/m3时， 渗透系数为 1. 26 10 －3 ～1. 43 10 －3 cm/s; 陈垃圾则在密度为 1 200， 1 400 kg/m3时 的渗透系数分别为 8. 29 10 －4， 1. 35 10－4 cm/s。 图 2 显示了以上研究者关于渗透系数与垃圾密度的 对应关系。总体而言， 垃圾渗透系数随着垃圾密度的 增大而减小。 18 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 2垃圾渗透系数随密度的变化 Fig．2Variation of wastes hydraulicy conductivity with their densities Ｒamli 等 ［30 ］则在马来西亚取槟城中转站垃圾压 缩箱中的新鲜垃圾作为试样， 采用变水头测定方法研 究纸有机垃圾的渗透系数， 结果表明有机含量越 高， 试样的渗透系数会变得越小， 证明了垃圾组分对 垃圾渗透系数也有影响。因为不同垃圾组分的渗透 系数有所不同， 组分不同的垃圾渗透系数也会不同。 但是， Chen 等 ［12 ］的实验结果表明， 在较高的密度 320 kg/m3和 480 kg/m3下， 垃圾组分对渗透系数无 影响， 而在低密度 160 kg/m3时， 垃圾组分对渗透系 数有较小的影响。 1. 2. 2降解程度 随着垃圾降解的进行， 垃圾颗粒变小且重新排 列 ［31 ］， 垃圾内部结构的改变会使其渗透系数发生一 定变化。如图 3 所示， 降解后的垃圾粒径变小重新排 列后的孔隙率有所减小， 渗透系数也将会随之变小。 Hossain 等 ［31 ］通过在美国德克萨斯州的伯灵顿中转 站取垃圾样， 研究了生物反应器填埋场中分别处于 4 个降 解 阶 段 的 垃 圾 在 3 种 压 实 密 度 700， 800， 900 kg/m3下的渗透系数， 渗透系数采用常水头测试 方法， 结果显示垃圾渗透系数从第1 阶段的10 －2 cm/ s 减小到第4 阶段的10 －4 cm/s， 而且在每个阶段垃圾 渗透系数都随着密度的增大而降低， 进一步验证了渗 透系数随垃圾密度的增大而减小的结论。刘辉 ［32 ］认 为影响城市生活垃圾渗透系数变化的主要因素是垃 圾填埋深度和垃圾有机成分降解率， 也强调了垃圾降 解程度对于垃圾渗透系数的重要影响。 1. 2. 3压实程度 随着填埋过程中对垃圾的压实， 垃圾密度随之增 大， 间接地使垃圾孔隙率变小， 从而令垃圾的渗透系 图 3渗透系数随垃圾降解的变化示意 Fig．3Variation of wastes hydraulic conductivity during its degradation 数变小。图 4 总结了 Bleiker 等 ［19 ］、 陆晓平等［33 ］和柯 瀚等 ［17 ］关于渗透系数在不同压力下的变化情况， 可 以看出， 随着压力的增大， 垃圾渗透系数都是减小的 趋势。Bleiker 等 ［19 ］的实验数据表明随着压力的变 大， 垃圾渗透系数变动范围为 10 －5 ～10 －7 cm/s; 在陆 晓平等 ［33 ］的实验中， 正常固结状态下， 垃圾的渗透系 数随着压力的增大会减小 3 个数量级， 且渗透系数的 对数与固结应力之间有较好的线性关系; 柯瀚等 ［17 ］ 采用大直径室内试验测定城市生活垃圾的渗透系数， 同时施加竖向荷载对其进行压缩， 发现垃圾体的渗透 系数随上覆压力的增加而快速减小， 未经压实填埋体 的渗透系数约为 1 10 －3 cm/s， 荷 载 等 级 超 过 300 kPa时， 渗透系数则低于 1 10 －4 cm/s。 图 4垃圾渗透系数随有效压力的变化［17， 19， 33 ］ Fig．4Variation of wastes hydraulic conductivity with effective pressure 另外， Stoltz 等 ［34 ］的研究也发现垃圾渗透系数随 着压实程度增强会有所减小， 并解释其是由随着压缩 垃圾孔隙率变小造成的。Jain 等 ［14 ］对美国弗罗里达 州一个填埋场的垃圾进行了渗透系数测定， 发现上层 垃圾的渗透系数要明显高于中层和下层垃圾， 也是由 于各垃圾层所受上覆压力不同而造成的。 1. 2. 4其他因素 影响垃圾渗透系数的其他因素包括实验室测定 28 环境工程 Environmental Engineering 条件如水力梯度、 测定时间 ［7 ］， 垃圾降解产生的填埋 气等。关于常水头测渗实验中水力梯度对于垃圾渗 透系数的影响， Chen 等 ［12 ］与瞿贤等［7 ］则得到了不同 的实验结果。前者测定表明水力梯度对渗透系数的 测定没有影响， 而后者则测得水力梯度从 1. 3 增大到 2. 0 时， 渗透系数增大了 40 到 70， 得出了水力梯 度对渗透系数的测定有较大影响的结论。两者得到 不同的实验结果可能是由于 Chen 等 ［12 ］使用的垃圾 根据美国的生活垃圾组成合成， 而瞿贤等 ［7 ］的实验 材料直接取自上海市， 两者垃圾组分相差较大。 Beaven 等 ［35 ］则发现填埋气对垃圾渗透系数也有一定 影响， 随着气体的累积垃圾的渗透系数会减小 1 到 2 个数量级。 除实验室测定时的条件因素外， 垃圾密度、 垃圾 组分、 降解程度、 压实程度、 填埋气等对垃圾渗透系数 的影响都是垃圾孔隙率及其孔隙联通程度发生了一 定变化后的结果， 凡是能影响垃圾孔隙率及孔隙联通 程度的因素都将会对垃圾的渗透系数产生一定的影 响， 使垃圾的渗透系数发生改变。 2渗透系数的调节方法 较高的垃圾渗透系数不但可以保证渗滤液顺利 进入导排系统而及时排出， 降低渗滤液水位［21 ］， 还能 够使填埋气快速排出， 提高填埋气的利用率 ［36 ］。然 而， 我国的生活垃圾中餐厨垃圾含量较高 约占 60 ［37 ］， 餐厨垃圾渗透系数极低造成生活垃圾总体 渗透系数较低， 不利于水分和气体的流动。若是能够 根据需要采取相应措施来调节垃圾的渗透系数， 不仅 有助于在工程上对填埋场渗滤液水位的控制， 还可提 高填埋气的回收利用率。调节垃圾的渗透系数可以 从以下两个方面着手。 2. 1改变影响因素 垃圾渗透系数的影响因素有垃圾密度、 垃圾组分、 降解程度、 压实程度等， 理论上可通过改变这些因素来 达到提高垃圾渗透系数的目的。然而在垃圾填埋场可 行的工程控制手段则只有减小垃圾密度或降低压实程 度， 其他因素为人为不可控或不科学。但通过减小垃 圾密度或是降低垃圾压实程度来提高垃圾渗透系数的 方法在实际应用中有限制， 过低的填埋垃圾密度或压 实程度会造成部分填埋空间的浪费， 从而降低填埋场 处理垃圾的效率。Jang 等 ［ 21 ］的实验结果表明垃圾压 实程度 定义为堆积密度与单位容重1 000 kg/m3的比 值 从80提高到 120 时， 渗滤液水位将会加倍， 并 提出压实程度低虽有利于渗滤液的排出， 但是也会造 成填埋能力降低且垃圾稳定时会引起更多的沉降， 因 此两者之间需要一个很好的权衡。 2. 2加入惰性材料 不同材料的渗透系数会有差异， 如果将具有不同 渗透系数的两种物质混合， 混合后物质的渗透系数也 会有一个新值。Akbulut 等 ［38 ］实验发现硅粉、 飞灰和 黏土都可以成功地作为土壤灌浆的添加剂来降低土 壤的渗透系数， 提高土壤性能的同时为工程材料废弃 物提供一个新的处理方式; Bilir［39 ］则得出矿渣和底 灰作为细骨料能降低混凝土的渗透系数从而提高混 凝土的耐久性的结论; Kenney 等 ［40 ］把孔隙率比沙子 小的膨润土与沙子压实混合， 实验测得混合物的渗透 系数低至足以代替天然土壤来作为防止流体溢出的 屏障。从以上实验研究可看出 将渗透系数较小的物 质加入到多孔材料中后， 将会降低原来多孔材料的渗 透系数。可以推测， 若将渗透系数较大的物质加入到 多孔材料中将会提高该材料的渗透系数。因此， 国外 的学者转向通过加入渗透系数较大的惰性材料来提 高垃圾渗透系数的研究领域， 探索提高垃圾渗透系数 的新方法。 在日本， 污泥是填埋垃圾的主要成分， 占总体工 业固体废弃物湿重的 36 2004 年数据 ， 污泥渗透 系数极低， 因此污泥填埋前必须进行一定的预处理来 提高填埋垃圾层的渗透系数。Asakura 等 ［41 ］向污泥 垃圾中加入粗糙辅料炉渣或者建筑垃圾来提高其渗 透系数， 探索了能保证填埋场中好氧条件所需要的混 合比， 结果发现加入的炉渣或者建筑垃圾与污泥垃圾 混合体积比从 62 提高到 75 时， 污泥的渗透系数 分别提高了 200 倍 炉渣 和 10 倍 建筑垃圾 。因 此， 将垃圾与炉渣或者建筑垃圾混合后再填埋， 不仅 可以提高垃圾的渗透系数， 还可以处理掉一部分固体 废物炉渣和建筑垃圾。Valencia 等 ［42 ］则观察到掺混 了砾石的模拟生物反应器填埋场表现出了较高的垃 圾稳定性， 然而其他的模拟器则易于堵塞而降低了整 体的处理效率， 同时发现砾石与垃圾完全混合与两者 成层混合比较， 完全混合更能加快垃圾的稳定化过程。 综上， 向垃圾中加入一定量渗透系数较高的惰性 材料来提高垃圾渗透系数的方法确实是可行的。 3结论与展望 本研究主要对填埋垃圾渗透系数的影响因素和 调节方法进行了总结， 为控制填埋场渗滤液水位的工 38 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 程手段和提高填埋气利用率的途径提出了新建议， 主 要得到以下几个结论 1 影响垃圾渗透系数的因素有很多， 包括垃圾密 度、 垃圾组分、 压实程度及降解程度等， 除实验测定条 件因素以外， 其他影响因素对垃圾渗透系数的影响都 可归结为使垃圾孔隙率及孔隙联通程度发生了变化。 2 垃圾渗透系数不仅决定了渗滤液的分布与迁 移， 还对填埋气的排出有影响。而我国垃圾餐厨垃圾 含量高渗透系数偏低， 若能够根据需要采取相应措施 来调节垃圾的渗透系数， 将有助于在工程上对填埋场 渗滤液水位的控制， 并提高填埋气利用率。 3 可通过改变垃圾渗透系数的影响因素来调节 渗透系数， 但是实用性不强。国外的实验结果表明， 向垃圾中添加粗糙辅料的方法可以明显改善垃圾渗 透系数， 国内研究人员可以借鉴经验在这方面突破创 新， 探索控制渗滤液水位、 提高气体利用率的工程技 术新手段。 参考文献 ［1］Chen X，Geng Y，Fujita T． An overview of municipal solid waste management in China［ J］ ． Waste Managment， 2010， 30 4 716- 724. ［2］纪涛． 城市生活垃圾堆肥处理现状及应用前景［J］ ． 天津科技， 2008， 35 5 46- 47. ［3］张英民，尚晓博，李开明，等． 城市生活垃圾处理技术现状与 管理对策［J］． 生态环境学报， 2011， 20 2 389- 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包装垃圾送垃圾填埋场卫生填埋。 3 重点针对农村餐厨垃圾提出了处理规模小、 机械化程度低、 投资和运行费用低的露天条形堆肥和 室内堆肥等简易堆肥技术; 根据我国农村特点， 提出 基于农村包装垃圾填埋的“户集组收村运村 或乡镇处理” 生活垃圾处置模式及村镇小型简易生 活垃圾填埋场建设方案。 本研究提出的方法可实现农村生活垃圾的资源 化、 减量化和无害化， 大大减少垃圾的运输量和填埋 量， 提高填埋场使用寿命， 对于改善农村村容村貌， 提 高农村环境质量具有一定的现实意义和可操作性。 参考文献 ［1］尚晓博， 张朝升， 荣宏伟， 等． 中国农村生活垃圾问题与解决对 策［J］． 现代化农业， 2011 11 34- 36. ［2］丁逸宁， 何国伟， 容素玲， 等． 农村生活垃圾的处理与处置对策 研究［J］． 广东农业科学， 2011， 17 136- 138. ［3］黄开兴， 王金霞， 白军飞， 等． 农村生活固体垃圾排放及其治理 对策分析［J］． 中国软科学， 2012 9 72- 79. ［4］王伟， 周建勋， 贾文超， 等． 北京市生活垃圾分类管理与技术需 求分析［J］． 环境卫生工程， 2008， 16 2 38- 42. ［5］陈群， 杨丽丽， 伍琳瑛， 等． 广东省农村生活垃圾收运处理模式 研究［J］． 农业环境与发展， 2012 6 51- 54. ［6］黄文芳， 沈哲． 农村面源污染治理的政策与管理服务体系优 化 以上海郊区农村为例［J］． 生态与农村环境学报， 2012， 28 5 599- 604. ［7］裴亮， 刘慧明， 王理明． 基于农村循环经济的垃圾分类处理方 法及运行管理模式分析［J］． 生态经济， 2011 11 152- 155. ［8］于晓勇， 夏立江， 陈仪， 等． 北方典型农村生活垃圾分类模式初 探 以曲周县王庄村为例［J］． 农业环境科学学报， 2010， 29 8 1582- 1589. ［9］高庆标， 徐艳萍． 农村生活垃圾分类及综合利用［J］． 中国资 源综合利用， 2011， 29 9 61- 63. ［ 10］郑凤娇． 农村生活垃圾分类处理模式研究［J］． 吉首大学学 报． 社会科学版， 2013， 34 3 52- 56. ［ 11］管蓓， 刘继明， 陈森． 农村生活垃圾产生特征及分类收集模式 ［J］． 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